如何使用Moku進(jìn)行阻抗測(cè)量？

頻率響應(yīng)分析儀

Moku的頻率響應(yīng)分析儀(FRA)在Moku輸出上驅(qū)動(dòng)掃描正弦波，并同時(shí)測(cè)量Moku輸入接口接收到的信號(hào)幅度（或功率）。FRA可以測(cè)量系統(tǒng)或被測(cè)設(shè)備(DUT)的傳遞函數(shù)，從而創(chuàng)建幅度和相位與頻率的關(guān)系圖，通常稱(chēng)為波特圖。
 

圖1 波特圖示例
 

為了測(cè)量被測(cè)設(shè)備的阻抗(Zdut)，我們需要了解 FRA 的功率圖。FRA 圖使用dbm或相對(duì)于一毫瓦(1 mW)的分貝為單位；在這種情況下，一個(gè)方便的計(jì)量單位。定義為：
 

Moku FRA掃描正弦輸出可以以伏特（峰峰值）為單位進(jìn)行設(shè)置。對(duì)于正弦曲線：
 

將上式帶入(2)式，可得：
 

以dBm表示，換算為mW，并且我們已知Moku 輸入阻抗為50 Ω，得出：
 

我們使用Moku的FRA生成1 Vpp正弦波 ，Moku輸出1直接連接到輸入1，如圖2所示。當(dāng)然，所得幅度在整個(gè)頻率范圍(0-1 kHz)4.050 dBm處是平坦的，非常接近到計(jì)算出的3.979 dBm。差異相當(dāng)于1.7 mV(0.17%)。
 

圖2 在Moku輸入中直接驅(qū)動(dòng)的1 V pp的FRA圖

電阻測(cè)量
 

單端口測(cè)量：

現(xiàn)在FRA的基本電源單位已經(jīng)清楚，我們可以進(jìn)行阻抗測(cè)量工作。在第1個(gè)示例中，我們將測(cè)量一個(gè)簡(jiǎn)單的10 kΩ、10% 容差電阻器的Rdut。等效電路為：
 

圖3 單端口測(cè)量等效電路
 

請(qǐng)注意，Vout為2 V，這會(huì)導(dǎo)致50 Ω負(fù)載上的電壓為1 V。

Moku FRA的運(yùn)行頻率高達(dá)120 MHz，但對(duì)于這些電阻測(cè)量，繪制至40 kHz 的圖就足夠了。圖4顯示了Vin時(shí)的Moku FRA幅度響應(yīng) = -35.821 dBm 。
 

圖4 10 kΩ、20%、單端口DUT的FRA圖

重新整理(1)式并代入(4)中的P，我們可以得出：
 

從圖4中可得，PdB = -35.821dB，通過(guò)(5)式可得Vin=10.23mV

由圖3的等效電路，可得分壓公式：
 

該電阻器的數(shù)字電壓表(DVM)讀數(shù)顯示為9750 Ω。

通過(guò)這一簡(jiǎn)單的單電阻測(cè)量，我們可以得出結(jié)論，Moku 的準(zhǔn)確度在 77 Ω(< 1%)以?xún)?nèi)。

低阻抗測(cè)量：

上面的示例使用了標(biāo)準(zhǔn)10% 容差電阻。我們還可以高精度地測(cè)量較低的阻抗。為此，我們將使用100 Ω、0.005% 容差的高精度電阻器。使用上述方法，我們得到了功率幅值圖。
 

圖5 100 Ω、0.005%、單端口的 FRA 屏幕截圖
 

將測(cè)得的-1.972 dBm功率代入方程(5)和(7)，我們計(jì)算出Rdut為98.41Ω。這與已知值幾乎一致，但我們可以通過(guò)雙端口測(cè)量做得更好。
 

二端口測(cè)量：

為了改進(jìn)我們的測(cè)量，我們需要考慮Moku 50 Ω輸出上DUT的負(fù)載。

我們可以通過(guò)雙端口測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，利用Moku的第二個(gè)輸入端口來(lái)觀察實(shí)際應(yīng)用的信號(hào)電平。圖6顯示了使用Moku:Lab的硬件設(shè)置示例。
 

圖6 Moku:Lab的兩端口配置

 

圖7 二端口等效電路
 

我們可以根據(jù)歐姆定律推導(dǎo)出圖6中的Rdut：
 

將(9)帶入(8)可得：
 

我們使用嚴(yán)格公差100 Ω、0.005%電阻器設(shè)置此雙端口測(cè)量，并捕獲圖7中的 Moku FRA圖。
 

圖7 100Ω、0.005%、兩端口的FRA屏幕截圖
 

請(qǐng)注意，黃色線即為我們使用 FRA 數(shù)學(xué)通道（V2/V1）。在iPad界面上進(jìn)行配置非�？焖偾液�(jiǎn)單。

從(10)中我們可以看出，我們可以根據(jù)V2/V1電壓比計(jì)算Rdut。

FRA數(shù)學(xué)通道計(jì)算出的功率比為9.505 dBm，因此電壓比為：
 

代入到(11)中，可得：。我們將該值代入(10)可得Rdut=99.36Ω。

電阻測(cè)試總結(jié)：

Moku的FRA可用于進(jìn)行阻抗測(cè)量并確定電阻值，精度<1%。
 

Rdut/Ω	單端口/Ω	雙端口/Ω	數(shù)字電壓表/Ω
100	98.41	99.36	100.0
10000	9675	9762	9750

在雙端口方法中，測(cè)量精度將更高。

電感測(cè)量

在本例中，我們將測(cè)量一個(gè)已知電容器：Wurth Elektronik 7447021。這是一個(gè)100μH電容器，額定功率為10kHz,容差為20%，如下圖12所示。
 

圖12 電容器的簡(jiǎn)要參數(shù)
 

我們將采用與圖6與圖7相同的兩端口測(cè)量方式。
 

圖13 阻抗向量示意圖
 

因此，如果我們測(cè)量頻率 f 下的相位，我們就可以確定電感L。

設(shè)置與測(cè)量：
 

圖14 Moku:Lab設(shè)置
 

圖14顯示了 Moku：Lab的設(shè)置，我們只需幾分鐘，即可在 Moku:Lab的iPad 應(yīng)用程序上設(shè)置搭載FRA 儀器并生成幅度和頻率與相位的關(guān)系圖。然后通過(guò)點(diǎn)擊云按鈕來(lái)共享應(yīng)用程序上的曲線，屏幕截圖和高分辨率數(shù)據(jù)，并可導(dǎo)出到MyFiles、SD 卡或電子郵件中。在本例中，我們將數(shù)據(jù)共享到Dropbox文件夾，如圖15所示。您也可以使用PC應(yīng)用程序?qū)⒁陨夏�需要的�?shù)據(jù)直接下載到您的PC上。
 

圖15 100μH、20%、雙端口電感器的FRA屏幕截圖
 

Moku 輸出通道1上生成了1 kHz至10 MHz的掃頻正弦波。藍(lán)色線顯示通道2(V2)，而紅色跡線顯示通道1(V1)。Moku數(shù)學(xué)通道呈橙色，并配置為兩通道的除法運(yùn)算 (ch2/ch1)。我們添加了幾個(gè)光標(biāo)來(lái)測(cè)量10 kHz、100 kHz 和 1 MHz處的相位和幅度。

橙色數(shù)學(xué)通道光標(biāo)使我們能夠快速查看 10 kHz 頻率處的相位差，即∅ = 6.775°。代入到式(12)(13)中可得XL = 5.94Ω,L = 94.5μH，在100 µH±20%的范圍內(nèi)。

雖然電感器的工作頻率為10 kHz，但我們也可以在100 kHz下根據(jù)圖15的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，其中= 47.619°。再次代入式(13)，得出L = 87.2 µH。這低于標(biāo)定值，但這是現(xiàn)實(shí)線圈電感器的正�，F(xiàn)象。

我們使用Moku iPad應(yīng)用程序，通過(guò)Dropbox將高分辨率FRA幅度和相位數(shù)據(jù)保存到 .CSV文件中，因此我們可以將其快速導(dǎo)入Excel中，并利用式(13)生成電感（藍(lán)色）和相位（綠色）與頻率的關(guān)系，如圖16所示。

這低于標(biāo)定值，但這是現(xiàn)實(shí)線圈電感器的正常現(xiàn)象。

我們使用Moku iPad應(yīng)用程序，通過(guò)Dropbox將高分辨率FRA幅度和相位數(shù)據(jù)保存到 .CSV文件中，因此我們可以將其快速導(dǎo)入Excel中，并利用式(13)生成電感（藍(lán)色）和相位（綠色）與頻率的關(guān)系，如圖16所示。
 

圖16 電感與相位和頻率的關(guān)系圖

 

從圖中我們可以清楚地看到，在100 kHz以上，電感穩(wěn)定下降，直到5 MHz左右，此時(shí)電感實(shí)際上為零。發(fā)生這種情況的原因是，實(shí)際上我們使用的線圈電感器不是理想的電感器，而是具有一些電阻和電容。等效電路實(shí)際上如圖17所示。
 

 

完美的電感器的阻抗隨頻率線性增加。但現(xiàn)實(shí)世jie中的電感器包含了電阻元件Resr、并聯(lián)的Repr與寄生電容(Cepc)。Resr有時(shí)在數(shù)據(jù)表中被引用為直流電阻，是線圈的電阻；Repr是有效并聯(lián)或交流電阻，Cepc是由于線圈靠近而產(chǎn)生的并聯(lián)電容。

因此，共振頻率由下式?jīng)Q定：
 

通過(guò)查詢(xún)?cè)撾姼械臄?shù)據(jù)表，我們可以找到該電感器的典型阻抗特性。該阻抗特性曲線顯示諧振峰在5 MHz左右，如圖18所示
 

圖18 電感器的典型特性曲線
 

由于Moku設(shè)備可以非常簡(jiǎn)單地通過(guò)Dropbox將FRA的數(shù)據(jù)共享到 .CSV，因此我們可以輕松使用Excel提供幅值阻抗與頻率的關(guān)系圖，如圖19所示。
 

圖19 Moku:Lab測(cè)試的阻抗曲線
 

測(cè)量得到的諧振頻率略高于5 MHz，測(cè)量特性與圖18非常一致。

總結(jié)

通過(guò)使用Moku:Lab的FRA（頻率響應(yīng)分析儀）儀器，我們可以方便快捷的進(jìn)行高精度的阻抗測(cè)試，并取得了很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。不僅如此，使用Moku:Go或Moku:Pro同樣也可完成該測(cè)試。Moku系列產(chǎn)品不僅有頻率相應(yīng)分析儀，鎖相放大器，任意波形發(fā)生器、頻譜分析儀、數(shù)據(jù)記錄器、示波器、相位計(jì)、PID控制器、波形發(fā)生器、云編譯等功能，還有多儀器并行功能可以同時(shí)使用多個(gè)儀器，歡迎您與我們一同交流討論！

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相關(guān)文獻(xiàn)：

https://www.liquidinstruments.com/blog/2023/06/30/simplifying-impedance-measurements-with-mokugo-part-1-resistance/

https://www.liquidinstruments.com/blog/2023/01/13/impedance-measurements-a-guide-to-measuring-impedance-with-mokulabs-frequency-response-analyzer-part-2-inductance/

https://www.we-online.com/components/products/datasheet/7447021.pdf

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